14431

1345 دكتري

دكتري

الكترونيك

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

1397

ده، [218]ص.: مصور، جدول، نمودار

حسين فرزانه فرد

احسان اديب

رسول دهقاني، محمدصادق گلسرخي

1397/12/19

كتابنامه

برق و كامپيوتر

مهندسي برق و كامپيوتر

1397/12/22

ID1345 دكتري

چکیده مبدل باک به عنوان پایه ای ترین مبدل کاهنده DC DC در تبدیل ولتاژهایی که ایزوالسیون مورد نیاز نباشد به طور وسیعی مورد استفاده قرار میگیرد این مبدل به دلیل ساختار ساده وقیمت پایین خصوصا در زمینه مخابرات و تبادل اطالعات بسیار مورد توجه است با این حال به دلیل الزامات منابع تغذیهی ریزپردازندههای جدید بهره پایین تری مورد نیاز است اما برای رسیدن به کاهندگی بیشتر ضریب وظیفه بسیار کوچک می گردد همچنین به دلیل اینکه اندازهی اجزای فیلتر مبدلها متناسب با فرکانس کلیدزنی خروجی تعیین میشود برای رسیدن به چگالی توان باالتر فرکانس کلیدزنی باال مورد نیاز است اما افزایش فرکانس کلیدزنی تلفات کلیدزنی و تداخل الکترومغناطیسی 1 EMI را افزایش داده که این موضوع منجر به کاهش بازده مبدل میگردد مهمترین چالشهای مبدل DC DC بسیار کاهنده شامل تلفات کلیدزنی تلفات بازیافت معکوس دایود تلفات هدایتی تنش ولتاژ و تنش جریان المانهای نیمه هادی مبدل ریپل جریان خروجی فرکانس کلیدزنی و بحث حفاظت مدار میباشد در این رساله ابتدا کاربرد مبدلهای بسیار کاهنده به طور اجمالی عنوان شدهاست و چالشهای مبدلهای بسیار کاهنده و روشهای پیشنهادی برای مرتفع کردن این چالشها بررسی گردیده است سپس مروری بر مبدلهای DC DC غیرایزوله بسیار کاهنده اخیر انجام شده و مزایا و معایب آنها مشخص شدهاست در ادامه پنج مبدل بسیار کاهنده جدید پیشنهاد میشود که ایده این مبدلها از ساختار مشابه مبدل تمام پل غیرایزوله مشتق شده است از جمله تکنیکهای به کار برده شده در این مبدلهای پیشنهادی استفاده از سلفهای تزویج شده در مسیر انتقال توان میباشد که با انتخاب مناسب و تنظیم نسبت دور سلفهای تزویج شده میتوان به یک نسبت تبدیل ولتاژ دلخواه دست یافت همچنین از خازنهای سری برای بهبود نسبت تبدیل ولتاژ و مهار تنش ولتاژ دو سر کلیدها به خاطر ویژگی تقسیم ولتاژ خازنی استفاده شده است مبدل پیشنهادی اول با ایجاد بهره ولتاژ بسیار کم دارای امتیازاتی از قبیل ضریب وظیفه گسترده تنش ولتاژ برابر با نصف ولتاژ ورودی روی کلیدهای مبدل تنش ولتاژ برابر با یک هشتم ولتاژ ورودی روی دایودهای مبدل تقسیم جریان خودکار بین فازهای مبدل تنش جریان کم المانهای نیمههادی ودر نهایت بازده باال میباشد اما به دلیل کلیدزنی سخت المانهای نیمههادی میزان تلفات کلیدزنی در فرکانسهای باال افزایش مییابد بنابراین برای رفع این مشکل با ایجاد تغییراتی در ساختار مبدل پیشنهادی اول مبدل پیشنهادی دوم ارائه شده است که این مبدل با حفظ ویژگیهای مبدل قبلی با کنترل فرکانس متغیر امکان کلیدزنی نرم المانهای نیمههادی را برای گستره وسیعی از محدوده تغییرات بار و ولتاژ ورودی فراهم مینماید با وجود ویژگیهای ذکر شده این مبدل در کاربردهایی که نیاز به زمین مشترک بین منبع ورودی و بار خروجی ندارند بسیار مناسب میباشد اما در سایر کاربردها به دلیل پیچیده شدن مدار کنترل بهکار برده نمی شود به همین دلیل برای رفع مشکل محدودیت کاربرد مبدل پیشنهادی با ایجاد تغییراتی برروی مبدل پایه پیشنهادی اول مبدل ارتقا یافتهای سوم ارائه شدهاست در مبدل پیشنهادی سوم زمین مشترک بین منبع ورودی و بار خروجی ایجاد شدهاست و همچنین به دلیل افزایش فازهای مبدل پایه میزان تنش جریان روی المانهای نیمههادی به طور چشمگیری کاهش پیدا کردهاست به عالوه این مبدل دارای مزایای مبدل پیشنهادی پایه نیز میباشد که منجر به گستردگی کاربرد آن میشود اما به دلیل تعداد زیاد المانهای بهکاربرده شده دارای حجم وزن و هزینه ساخت زیاد میباشد بنابراین در راستای کاهش تعداد المانها که سبب کاهش تلفات هدایتی و همچنین کاهش اندازه و هزینه ساخت مبدل میشود با حفظ ساختار مبدل پایه و ایجاد تغییراتی در جهت اهداف رساله مبدل چهارم پیشنهاد شده است مبدل پیشنهادی چهارم عالوه بر بهره ولتاژ بسیار کم دارای تنش ولتاژ و جریان کم روی المانهای نیمههادی و تلفات هدایتی پایین میباشد همچنین به دلیل بازیابی انرژی سلف نشتی مربوط به سلفهای تزویجشده فراجهش ولتاژ روی کلیدها و دایودهای مبدل وجود ندارد عالوه بر این مبدل پیشنهادی چهارم امکان کلیدزنی نرم کامل برای همه المانهای نیمههادی را نیز فراهم نموده است که سبب کاربرد وسیع و بازده باالی این مبدل میشود از آنجا که میزان تلفات هدایتی و کلیدزنی در مبدلهای بسیار کاهنده از اهمیت ویژهای برخوردار است به منظور دستیابی به تلفات کمتر حجم و اندازه کوچکتر و کنترل سادهتر از طریق کاهش تعداد المانهای فعال و غیرفعال مبدل پیشنهادی فصل ششم در فصل هفتم ارتقا دادهشده است این مبدل به دلیل اینکه دارای تعداد المانهای کم و تلفات هدایتی پایین میباشد در بسیاری از کاربردهای مبدلهای بسیار کاهنده قابل استفاده است عالوه براین میزان تلفات کلیدزنی نیز در این مبدل کاهش یافته اس

Performance improvement Design and Fabrication of Non Isolated High Step Down DC DC Converters Mozhgan Amiri Mozhgan amiri@ec iut ac ir 20 January 2019 Department of Electrical and Computer EngineeringIsfahan University of Technology 84156 83111 Isfahan IranSupervisor Dr Hosein Farzanehfard hosein@cc iut ac irAdvisor Dr Ehsan Adib Department Graduate Program Coordinator Dr Gholamreza Yousefi Department of Electrical and Computer Engineering Isfahan University of Technology Isfahan IranAbstractGenerally high step down converters are used to process the power from a very high voltage source to a lowvoltage load The main challenges in the high step down converters are switching losses diode reverse recoverylosses conduction losses voltage and current stress on the semiconductor elements electromagneticinterference output current ripple operation at high switching frequency power density number ofsemiconductor component recovering the stored energy in the parasitic circuit elements and circuit protection In this dissertation challenges of the non isolated high step down DC DC converters are investigated and thecommon methods are described to overcome these limitations Then a review of the most recent non isolatedDC DC converters is presented and their advantages and disadvantages are described after Considering theexisting interleaved high step down converters improved non isolated ultra high step down converters areproposed in this dissertation The proposed converters have several main advantages such as extremely lowvoltage gain extended duty cycle automatic current sharing low voltage and current stress on active switches soft switching condition and low output current ripple To achieve these advantages several techniques arecombined The interleaved method is applied to reduce the current stress and decrease the output current rippledue to the phase shift between two modules The series capacitors are used to improve the step down conversionratio and clamp the voltage stress across the active switches due to the capacitive voltage division characteristic In addition the coupled inductors are used to reduce the voltage gain and extend the duty cycle withoutimposing extra voltage stress across the active switches The proposed converters are compared to each other aswell as to the existing prominent counterpart converters The proposed converters are completely analyzed andthe experimental waveforms of the laboratory prototype are provided Key wordsUltra high step down converter extended duty cycle coupled inductors low voltage stress automatic currentsharing soft switching IntroductionRecently the demand of step down DC DC converters with low voltage and high currentoutput is increased significantly in many applications Some of the most importantapplications are light emitting diode LED lamps voltage regulator modules VRMs formicroprocessors telecom equipment battery chargers electric vehicles and communicationsystems The major challenges of the conventional buck and synchronous rectifier buckconverter in high step down applications are narrow duty cycle which results in highconduction and switching losses of switches high voltage stress on semiconductor devices

حسين فرزانه فرد

احسان اديب

رسول دهقاني، محمدصادق گلسرخي